Os pesquisadores fizeram uma pequena câmera, mantidos juntos com 'cola molecular' que lhes permite observar reações químicas em tempo real.

O dispositivo, feito por uma equipe da Universidade de Cambridge, combina minúsculos nanocristais semicondutores chamados de pontos quânticos e nanopartículas de ouro usando cola molecular chamada cucurbituril (CB). Quando adicionado à água com a molécula a ser estudada, os componentes se montam em segundos em um estábulo, ferramenta poderosa que permite o monitoramento em tempo real de reações químicas.

A câmera coleta luz dentro dos semicondutores, induzindo processos de transferência de elétrons como aqueles que ocorrem na fotossíntese, que podem ser monitorados usando sensores de nanopartículas de ouro incorporados e técnicas espectroscópicas. Eles foram capazes de usar a câmera para observar espécies químicas que haviam sido teorizadas anteriormente, mas não observadas diretamente.

A plataforma pode ser usada para estudar uma ampla gama de moléculas para uma variedade de aplicações potenciais, como a melhoria da fotocatálise e fotovoltaica para energias renováveis. Os resultados são relatados no jornal Nature Nanotechnology .

A natureza controla os conjuntos de estruturas complexas em escala molecular por meio de processos autolimitantes. Contudo, imitar esses processos no laboratório costuma ser demorado, caro e dependente de procedimentos complexos.

“Para desenvolver novos materiais com propriedades superiores, muitas vezes combinamos diferentes espécies químicas para chegar a um material híbrido que tenha as propriedades que desejamos, "disse o professor Oren Scherman do Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quem liderou a pesquisa. "Mas fazer essas nanoestruturas híbridas é difícil, e muitas vezes você acaba com crescimento descontrolado ou materiais que são instáveis. "

O novo método que Scherman e seus colegas do Laboratório Cavendish de Cambridge e da University College London desenvolveram usa cucurbituril - uma cola molecular que interage fortemente com pontos quânticos semicondutores e nanopartículas de ouro. Os pesquisadores usaram pequenos nanocristais semicondutores para controlar a montagem de nanopartículas maiores por meio de um processo que eles cunharam de agregação autolimitante interfacial. O processo leva a materiais híbridos permeáveis ​​e estáveis ​​que interagem com a luz. A câmera foi usada para observar a fotocatálise e rastrear a transferência de elétrons induzida pela luz.

"Ficamos surpresos com o quão poderosa é esta nova ferramenta, considerando como é simples de montar, "disse o primeiro autor, Dr. Kamil Sokołowski, também do Departamento de Química.

Para fazer sua câmera nano, a equipe adicionou os componentes individuais, junto com a molécula que eles queriam observar, para regar à temperatura ambiente. Anteriormente, quando nanopartículas de ouro foram misturadas com a cola molecular na ausência de pontos quânticos, os componentes sofreram agregação ilimitada e caíram da solução. Contudo, com a estratégia desenvolvida pelos pesquisadores, os pontos quânticos medeiam a montagem dessas nanoestruturas, de modo que os híbridos de metal semicondutor controlam e limitam seu próprio tamanho e forma. Além disso, essas estruturas permanecem estáveis ​​por semanas.

"Esta propriedade autolimitada foi surpreendente, não era nada que esperávamos ver, "disse a coautora Dra. Jade McCune, também do Departamento de Química. "Descobrimos que a agregação de um componente nanoparticulado pode ser controlada através da adição de outro componente nanoparticulado."

Quando os pesquisadores misturaram os componentes, a equipe usou a espectroscopia para observar as reações químicas em tempo real. Usando a câmera, eles foram capazes de observar a formação de espécies radicais - uma molécula com um elétron desemparelhado - e produtos de sua montagem, como espécies de viologen dimérico sigma, onde dois radicais formam uma ligação carbono-carbono reversível. A última espécie foi teorizada, mas nunca observada.

"As pessoas passaram todas as suas carreiras reunindo peças da matéria de uma forma controlada, "disse Scherman, que também é Diretor do Laboratório Melville. “Esta plataforma irá desbloquear uma ampla gama de processos, incluindo muitos materiais e produtos químicos que são importantes para tecnologias sustentáveis. Todo o potencial dos nanocristais semicondutores e plasmônicos agora pode ser explorado, proporcionando uma oportunidade de induzir e observar simultaneamente reações fotoquímicas. "

"Esta plataforma é uma caixa de ferramentas realmente grande, considerando o número de blocos de construção de metal e semicondutor que agora podem ser acoplados usando esta química - ela abre muitas novas possibilidades para reações químicas de imagem e detecção através de instantâneos de sistemas químicos monitorados, "disse Sokołowski." A simplicidade da configuração significa que os pesquisadores não precisam mais de complexos, métodos caros para obter os mesmos resultados. "

Pesquisadores do laboratório Scherman estão atualmente trabalhando para desenvolver ainda mais esses híbridos em direção a sistemas fotossintéticos artificiais e (foto) catálise, onde os processos de transferência de elétrons podem ser observados diretamente em tempo real. A equipe também está procurando mecanismos de formação de ligações carbono-carbono, bem como interfaces de eletrodos para aplicações de bateria.